JP2014016054A - ストーカ式焼却炉に於ける小規模発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 低沸点燃媒体を用いて、熱交換器に低温腐食を生じることなく高効率で廃熱回収を行うことにより、発電効率を高めると共に、設備費用の削減、廃熱回収用熱交換器の寿命の延伸、設備費及びランニングコスト等の大幅な削減等を可能にしたストーカ式焼却炉に設ける小規模発電システムを提供する。
【解決手段】 ストーカ式焼却炉の一次燃焼室内の燃焼熱を加熱源とする熱交換器と蒸気タービン発電機と凝縮器と熱媒体循環ポンプとから熱媒体循環路を形成し、当該熱媒体循環路内を前記熱媒体循環ポンプにより低沸点熱媒体を循環流通させると共に、前記熱交換器で発生した低沸点熱媒体蒸気により蒸気タービン発電機を駆動する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ストーカ式焼却炉に適用する廃熱回収発電システムの改良に関するものであり、ストーカ式焼却炉の一次燃焼室内に熱交換器を配設すると共に燃焼室内の放射エネルギーにより低沸点熱媒体を加熱し、発生させた熱媒体蒸気でもって蒸気タービン発電機を回転駆動させることにより、設備費やランニングコストの大幅な引下が図れ、簡便にしかも経済的に所望の出力のごみ発電を行えるようにしたストーカ式焼却炉に於ける小規模発電システムに関するものである。

従前から、都市ごみ焼却設備に於いては、環境汚染を生ずることなしにごみを焼却減容すると共に発生したごみ燃焼熱の有効利用を図ることが主要目的とされており、これ等の目的を達成するために各種の技術が開発されて来た。

そのため、大都市の大型都市ごみ焼却設備にあっては、ごみ焼却炉の熱を利用して蒸気を発生させ、この蒸気を用いて蒸気タービン発電機を駆動してごみ発電を行なったり、余熱を用いて給湯や融雪をすることが行なわれている（特許文献１、特許文献２等）。

しかし、この種の大型ごみ焼却設備に於いても、ごみ発電の行なわれていない設備が多くあり、特に、小規模な産業廃棄物焼却施設等に於いては、廃熱ボイラや蒸気タービン発電機等の設備費やランニングコスト、設備補修費等が高額になること等から、その多くが廃熱回収による発電等を行っておらず、昨今のエネルギー事情からして多くの問題が残されている。

一方、近年、省エネルギーの観点からごみ発電が注目を集め、大規模なごみ発電設備だけでなしに、簡便でしかも経済的な廃熱回収による小規模なごみ発電システムに対する要望が高まりつつある。そして、これ等の要望に応答するものとして、低沸点熱媒体を用いた所謂バイナリ発電システムの開発及び実用化が図られている。

即ち、この低沸点熱媒体を用いた発電システム（以下、バイナリ発電システムと呼ぶ）は、地熱発電システムや低温廃熱回収発電システムとして公知のものであり（特許文献３、特許文献４）、例えば図３に示すように、廃熱ボイラ（熱源）Ａからの温水又は蒸気Ｂを第１熱交換器Ｃへ送り、ここで低沸点熱媒体Ｄを加熱して低沸点熱媒体蒸気Ｅを発生させると共に、当該熱媒体蒸気Ｅにより蒸気タービン発電機Ｆを回転駆動させ、発電を行うものである。

また、蒸気タービン発電機Ｆからの低沸点熱媒体蒸気Ｅは、図３に示すように第２熱交換器Ｇに於いて冷却水Ｗｃにより冷却されて液状の低沸点熱媒体Ｄに戻され、第２熱交換器Ｇで加熱された冷却水Ｗ_Ｈは、冷却器Ｈで空気Ｉにより冷却される。
尚、図３に於いて、Ｐ_１は温水や蒸気Ｂの循環ポンプ、Ｐ_４は薬液注入ポンプ、Ｐ_２は低沸点熱媒体Ｄの循環ポンプ、Ｐ_３は冷却水Ｗ_Ｃの循環ポンプ、Ｆ_１は冷却ファンである。

上記図３に示したバイナリ発電システムは、用いる低沸点熱媒体Ｄの選択により低温廃熱（例えば８０〜２５０℃）の効率的な回収が可能となり、廃熱回収率を高められると云う点では優れた効用を有するものである。

しかし、従前の図３に示したバイナリ発電システムに於いては、比較的小さな発電出力であるにも拘わらず、何段階もの熱交換を必要とする。即ち、低沸点熱媒体の循環ポンプＰ_２や冷却水循環ポンプＰ_３の他に温水（蒸気）循環ポンプＰ_１及び薬液注入ポンプＰ_４を必要とするため多くの動力を消費することになり、結果として、利用可能な電力が小さくなるという欠点があった。

また、例えば上記図３において、温水又は蒸気ではなく、焼却炉や廃熱ボイラ(熱源)からの排ガスを第１熱交換器Ｃへ送り、ここで低沸点熱媒体蒸気Ｅを発生させる構成とした場合には、排ガスと低沸点熱媒体間の接触伝熱による熱伝達率が低いため、廃熱の利用効率を高めることが出来ないと云う問題があった。

そこで、本願発明者は、ポンプ動力の削減のために、熱媒体を低沸点熱媒体のみとして温水（蒸気）循環ポンプＰ_１の使用を排除すること、水を熱媒体として使用しないことにより、水管内面へのスケール付着の抑制を目的とした薬液注入ポンプＰ_４の使用を排除すること、及び、ごみ焼却炉の燃焼室内に於ける放射熱エネルギーを用いて、交換器で効率よく低沸点熱媒体蒸気を発生させることを着想し、図１の如き廃熱回収発電システムを創作すると共に、その実用化を図るために各種の試験を実施した。

而して、上記図１の如き廃熱回収発電システムに於いては、温水（蒸気）循環用ポンプＰ_１の使用を排除して低沸点熱媒体により廃熱を回収するため、使用する熱交換器の低温腐食が問題となる。
即ち、ごみ焼却炉等の廃棄物処理炉の燃焼廃ガス内には、ＨＣｌやＳＯ_Ｘ等の腐食性ガスが必然的に含有されており、この燃焼排ガス中の無水硫酸（ＳＯ_３）と水分が熱交換器の低温腐食を生ずることに成る。例えば、燃焼ガス中の水分が１５％でＳＯ_３の濃度が１０ｐｐｍの場合には、硫酸露点温度が１４０℃程度（特許文献５）となるため、硫酸ガスの零点温度以下の低温下では無水硫酸（ＳＯ_３）が水分と結合して硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）となり、これが金属に凝縮付着することにより金属の低温腐食が起生する。

特開平９−４４２０号公報 特開平１１−１４８３１６号公報 特開平８−１０５３０５号公報 特開２０１２−１３０６２号公報 特開２０１1−１８５５００号公報

本願発明は、従前の低沸点熱媒体を用いた低温廃熱回収発電システムに於ける上述の如き問題、即ち、発電に至るまでに二つの熱媒体（熱サイクル）を用いるバイナリ発電システムでは、補機類例えば熱媒体循環ポンプ等の動力が発電電力に比較して大となり、発電出力の実質的な利用率が低いこと、焼却炉排ガス等を熱源とする熱交換器を使用する場合には、熱伝達率が低いため熱回収効率が低いこと、及び、ごみ焼却炉排ガス等により低沸点熱媒体を加熱する場合には、熱交換器に低温腐食が起生し、設備寿命が短くなること等の問題を解決し、ストーカ式ごみ焼却炉の一次燃焼室上部空間に於ける燃焼ガスの成分分布の特徴を活用することにより、熱交換器に於ける低温腐食の発生を有効に防止しつつ、一次燃焼室内の放射エネルギーを主な熱源とする熱交換により低沸点熱媒体を加熱することを可能とし、廃熱回収率や発電効率の向上が図れると共に、簡便にしかも経済的にごみ焼却設備へ適用できるようにしたストーカ式燃焼炉に於ける小規模発電システムの提供を発明の主目的とするものである。

本願請求項１の発明は、ストーカ式焼却炉の一次燃焼室内の燃焼熱を加熱源とする熱交換器と蒸気タービン発電機と凝縮器と熱媒体循環ポンプとから熱媒体循環路を形成し、当該熱媒体循環路内を前記熱媒体循環ポンプにより低沸点熱媒体を循環流通させると共に、前記熱交換器で発生した低沸点熱媒体蒸気により蒸気タービン発電機を駆動する構成としたことを発明の基本構成としたものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、熱交換器を一次燃焼室内の放射エネルギーを主な加熱源とする熱交換器としたものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、熱交換器を一次燃焼室を形成する後燃焼ゾーンの内部に配置する構成としたものである。

請求項４の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、一次燃焼室の後燃焼ゾーンを形成する天井壁又は側壁若しくは後壁の何れかに熱交換器を支持固定するようにしたものである。

請求項５の発明は、請求項１の発明に於いて、低沸点熱媒体を水よりも低沸点の物質としたものである。

請求項６の発明は、請求項１の発明に於いて、凝縮器を水冷式凝縮器とすると共に、凝縮器の冷却用水を空冷式冷却器により冷却するようにしたものである。

請求項７の発明は、請求項３又は請求項４の発明に於いて、熱交換器を後燃焼ゾーン内の放射エネルギーを主な加熱源とした熱交換器にすると共に、低沸点熱媒体を代替フロン等の不活性ガス或いはアンモニア水等の可燃性ガスとするようにしたものである。

本願発明では、熱媒体を低沸点熱媒体とすると共に、当該低沸点熱媒体を加熱、蒸発させる熱交換器をストーカ式焼却炉の一次燃焼室の後燃焼ゾーン内に配置して、腐食性ガスを殆ど含有しない後燃焼ゾーン内に於いて、放射熱エネルギーを主に用いて熱交換器により低沸点熱媒体へ燃焼熱を回収すると共に、蒸発させた低沸点熱媒体蒸気により蒸気タービン発電機を駆動して発電を行う構成としている。
その結果、燃焼ガスの接触伝熱による熱交換の場合よりもより高い熱伝達率が得られ、燃焼熱を効率よく回収できると共に、熱媒体循環ポンプ等の発電設備の捕機用動力を大幅に削減することができ、発電効率が向上する。

また、ストーカ式燃焼炉の燃焼ガス内にＳＯｘやＨＣｌ等の腐食性ガスを殆ど含有しない雰囲気内、即ちストーカ式燃焼炉の後燃焼ゾーン内に熱交換器を設置する構成としているため、熱交換器の熱交換管へ燃焼ガスが直接接触しても低温腐食を生ずる危険性が高くない。その結果、熱交換器の寿命の短縮や補修費の増加を招くことなしに、ごみ発電設備の設置に要する費用総額の大幅な削減が可能となる。

更に、熱交換器はストーカ式燃焼炉の後燃焼ゾーン等へ容易に設置することが出来るため、既設のストーカ式燃焼炉であっても本発電システムを容易に適用することができ、廃熱回収率の向上や発電効率の向上が可能となる。

本願発明の実施形態の基本構成を示す系統図である。 ストーカ式燃焼炉に於ける熱交換器の設置可能範囲を示す説明図である。 従前の低沸点熱媒体を用いたバイナリ発電システムの系統図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る小規模発電システムの基本構成を示す系統図であり、図１に於いて、１はストーカ式燃焼炉、２はストーカ式燃焼炉の燃焼ガス（燃焼廃熱）を熱源とする熱交換器、３は熱交換器２内を流通する低沸点熱媒体、４は蒸気タービン発電機、５は低沸点熱媒体蒸気の凝縮器、６は低沸点熱媒体の循環ポンプ、７は低沸点熱媒体循環路、８は冷却器、９は冷却水、１０は冷却水循環ポンプ、１１ａ、１１ｂは冷却水循環路、１２は冷却用空気、１３は送風機である。

前記ストーカ式燃焼炉１は図２に示すように、炉本体１４、廃棄物Ｗのホッパ１５、供給プッシャー１４、ストーカ１７、ストーカ下ホッパ１８、一次燃焼室１９、二次燃焼室２０、一次燃焼空気Ａ_１ａ〜Ａ_１ｄ、二次燃焼空気Ａ_２、灰出し口２１、灰コンテナ２１ａ〜２１ｄ及び灰コンベア２３等から構成されている。又、ストーカ１７は、乾燥ストーカ１７ａ、燃焼ストーカ１７ｂ及び後燃焼ストーカ１７ｃから成り、ストーカ１７下から各ストーカ１７ａ、１７ｂ、１７ｃに一次燃焼空気Ａ_１が供給される。更に、前記一次燃焼室１９は、二次燃焼室２０の下方位置にほぼ対応する燃焼ゾーン１９ａと、後燃焼ストーカ１７ｃの上方にほぼ対応して燃焼ゾーン１９ａとほぼ同等の長さ寸法を有する後燃焼ゾーン１９ｂとから形成されている。

図２を参照して、廃棄物ホッパ１５内の廃棄物Ｗは、供給プッシャー１６により乾燥ストーカ１７ａ上へ供給され、下方から供給される一次燃焼空気Ａ_１と一次燃焼室１９等からの幅射熱により加熱・乾燥されることにより、廃棄物Ｗ中の水分や揮発分が蒸発すると共に、ＣＯ（一酸化炭素）やＨＣ（炭化水素）等の未燃ガス（還元ガス）が放出される。

乾燥された廃棄物Ｗは燃焼ストーカ１７ｂ上へ送られ、下方からの一次燃焼空気Ａ_１によって火炎を上げて燃焼すると共に、燃焼ストーカ１７ｂの下流側端部に於いて燃え切り点に達し、引き続き後燃焼ストーカ１７ｃ上へ送られ、下方からの一次燃焼空気Ａ_１により所謂おき燃焼されたあと、灰出し口２ｂから落下排出される。
また、廃棄物Ｗの焼却に伴い発生する未燃ガスや未燃物は、ストーカ１７下から供給される一次燃焼空気Ａ_１や二次燃焼室２０へ供給される二次燃焼空気Ａ_２により完全燃焼され、その後排ガス出口（図示省略）から炉本体１４外へ排出される。
尚、ストーカ式焼却炉１そのものは公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する。

前記熱交換器２は、公知の熱交換器と同じ構造のものであり、伝熱管内を流通する低沸点熱媒体３を後燃焼ゾーン１９ｂからの燃焼ガスの熱で加熱することにより、低沸点熱媒体蒸気が生成される。また、当該熱交換器２の伝熱管には、通常の熱交換器用炭素鋼管が使用されており、特別な耐食性鋼管は使用されていない。

当該熱交換器２は一次燃焼室１９の後燃焼ゾーン１９ｂ内に設置されており、後燃焼ゾーン１９ｂ内の燃焼熱の放射エネルギーが、所謂輻射伝熱により高熱伝達率で以って伝熱管（熱交換管）に伝えられることにより、高沸点熱媒体３が効率よく加熱、気化されることになる。尚、熱交換器２を一次燃焼室１９の外に設け、後燃焼ゾーン１９ｂから炉本体外へ導出した燃焼ガスによりこれを加熱する構成としても良いことは勿論可能である。

上記熱交換器２を設置する位置は、図２に示す如く一次燃焼室１９の廃棄物Ｗの流れ方向の長さ寸法Ｌの略中央より下流の天井壁面や側壁面或いは後燃焼ストーカ１７ｃ上方の空間部であってもよく、更に、一次燃焼室１９の末端側の後壁面であってもよい。

当該熱交換器２を上記一次燃焼室１９の後燃焼ゾーン１９ｂ領域内に設置するのは、所謂伝熱管（熱交換管）の低温腐食の発生を防止するためである。即ち、熱回収媒体として低沸点熱媒体３を用いると、前述の如く伝熱管（熱交換管）に直接に接触する燃焼ガス内にＳＯ_ＸやＨＣｌ等の腐食性ガスが存在すると、必然的に低温腐食の危険性が高まるからである。

ところが、ストーカ式焼却炉、特に都市ごみ焼却用の階段式ストーカ焼却炉にあっては、後燃焼ゾーン１９ｂに於ける燃焼ガス内のＳＯ_ＸやＨＣｌ等の腐食性ガスの含有量が、燃焼ゾーン１９ａ内の燃焼ガスに比較して大幅に減少することが確認されている。

何故なら、燃焼ガス内のＨＣｌやＳＯｘ等の腐食性ガスは、廃棄物Ｗ中に含まれている塩化ビニール等のプラスチック類等の燃焼により発生しており、このプラスチック類等は３５０℃〜５００℃で分解・燃焼すると共にその燃焼速度が速いため、燃焼ストーカ１７ｂ上で燃焼する。そのため、腐食性ガスは、主に燃焼ストーカ１７ａ及び１７ｂ上で発生し、燃焼ストーカ１７ｂや乾燥ストーカ１７ａ上方の燃焼ゾーン１９ａ内の主燃焼排ガス中に多く存在し、その結果、後燃焼ストーカ１１ｃ上方の後燃焼ゾーン１９ｂ内の燃焼ガス中には、腐食性ガスやダストが殆ど残存しないことになる。

また、産業廃棄物焼却炉（階段式ストーカ焼却炉、燃焼ストーカと後燃焼ストーカの２段のみ）に於ける測定に於いても、二次燃焼室２０から、炉外へ排出する燃焼排ガス中のＳＯ_２が３００ppｍ、ＨＣｌが９５０ppmの時に、後燃焼ゾーン１９ｂから導出した燃焼ガス中のＳＯ_２が８ｐｐｍ、ＨＣｌが５０ｐｐｍになると云う結果が得られている。

つまり、ストーカ焼却炉、特に階段式ストーカ焼却炉にあっては、後燃焼ゾーン１９ｂ内の燃焼ガス内にはＳＯｘやＨＣｌ等の腐食性ガスが殆ど存在せず、その結果、後燃焼ゾーン１９ｂ内に熱交換器２を設置したとしても、低温腐食の危険性が特に高まることが無いと云える。

前記低沸点熱媒体３は、蒸気圧力、熱容量、伝熱係数、腐食性、安定性等を総合的に判断して選択され、水以外の沸点が１００℃以下の低沸点熱媒体が望ましい。尚、本実施形態に於いては、低沸点熱媒体として代替フロン（ＨＦＥ、沸点３４℃）を使用しているが、代替フロン等の不活性ガスの他に、アンモニアや炭化水素系のブタン、ペンタン等の可燃性ガスの使用も可能である。

次に、本発明に係るストーカ式焼却炉に於ける小規模発電システムの作動について説明する。
図１及び図２を参照して、低沸点熱媒体の循環ポンプ６により温度約３０〜３２℃の＾低沸点媒体（ペンタン・沸点３６℃）３が熱交換器２の伝熱管へ供給され、ここで後燃焼ゾーン１９ｂ内の燃焼熱（燃焼ガス）により加熱され、熱媒体蒸気が生成される。

発生した低沸点媒体蒸気により蒸気タービン発電機４が回転駆動され、所用の発電が行われると共に、蒸気タービン・タービン発電機で仕事をした低沸点熱媒体蒸気は凝縮器５へ導入され冷却水９により冷却されて凝縮する。

尚、この凝縮された低沸点熱媒体３が熱交換器２を含む低沸点熱媒体循環路７内を循環流通することにより、連続的な発電が行われる。また、冷却水９は空冷式冷却器８により冷却され、冷却水循環路１１内を循環流通する。

本発明に係る小規模発電システムは、ストーカ式焼却炉の後燃焼ゾーン１９ｂ内へ熱交換器２を配置する構成としているため、所謂ごみ発電設備を設けた大型のストーカ式ごみ焼却炉であっても、或いは所謂ごみ発電設備を有しない大型若しくは小型のストーカ式ごみ焼却炉であっても、設備費の大幅な高騰を招くことなしに簡単に設置することができると共に、廃熱回収効率の向上と経済的な高効率発電を行うことができ、高い実用的効用が得られる。

本発明に係る小規模発電システムは、ごみ処理容量の大・小を問わずあらゆるストーカ式焼却炉に適用することができるものである。

Ｗ 廃棄物
Ａ_１ 一次燃焼空気
Ａ_２ 二次燃焼空気
１ ストーカ式燃焼炉
２ 熱交換器
３ 低沸点熱媒体
４ タービン発電機
５ 凝縮器
６ 低沸点熱媒体循環ポンプ
７ 低沸点熱媒体循環路
８ 冷却器
９ 冷却水
１０ 冷却水循環ポンプ
１１ 冷却水循環路
１２ 空気
１３ 送風機
１４ 炉本体
１５ 廃棄物ホッパ
１６ 供給プッシャー
１７ ストーカ
１７ａ 乾燥ストーカ
１７ｂ 燃焼ストーカ
１７ｃ 後燃焼ストーカ
１８ ストーカ式ホッパ
１９ 一次燃焼室
１９ａ 燃焼ゾーン
１９ｂ 後燃焼ゾーン
２０ 二次燃焼室
２１ 灰出し口

Claims (7)

1. ストーカ式焼却炉の一次燃焼室内の燃焼熱を加熱源とする熱交換器と蒸気タービン発電機と凝縮器と熱媒体循環ポンプとから熱媒体循環路を形成し、当該熱媒体循環路内を前記熱媒体循環ポンプにより低沸点熱媒体を循環流通させると共に、前記熱交換器で発生した低沸点熱媒体蒸気により蒸気タービン発電機を駆動する構成としたストーカ式焼却炉に於ける小規模発電システム。
2. 熱交換器を一次燃焼室内の放射エネルギーを主な加熱源とする熱交換器とした請求項１に記載のストーカ式焼却炉に於ける小規模発電システム。
3. 熱交換器を一次燃焼室を形成する後燃焼ゾーンの内部に配置する構成とした請求項１又は請求項２に記載のストーカ式焼却炉に於ける小規模発電システム。
4. 一次燃焼室の後燃焼ゾーンを形成する天井壁又は側壁若しくは後壁の何れかに熱交換器を支持固定する構成とした請求項１又は請求項２に記載のストーカ式焼却炉に於ける小規模発電システム。
5. 低沸点熱媒体を水よりも低沸点の物質とした請求項１に記載のストーカ式焼却炉に於ける小規模発電システム。
6. 凝縮器を水冷式凝縮器とすると共に、凝縮器の冷却用水を空冷式冷却器により冷却する構成とした請求項１に記載のストーカ式焼却炉に於ける小規模発電システム。
7. 熱交換器を後燃焼ゾーン内の放射エネルギーを主な加熱源とする熱交換器にすると共に、低沸点熱媒体を代替フロン等の不活性ガス或いはアンモニア水等の可燃性ガスとするようにした請求項３又は請求項４に記載のストーカ式燃焼炉に於ける小規模発電システム。

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